基于1553B总线的航电系统半实物仿真远程级联

■ 惠言 钱忠洋 周亚光 张刚/江苏金陵机械制造总厂

1 半实物仿真系统

航空电子系统是现代军用飞机信息化的核心，是信息感知、显示处理和武器交联中心，其性能和技术水平直接决定和影响飞机的整体性能和作战效能。在飞机的全生命周期内，航电系统的功能、性能在研制、加改装以及维修保障期间均有可能发生变化，如何有效评估航电系统的功能和性能是精准定位缺陷和故障、提升飞机战斗力的重要保证。

半实物仿真通过将待测装备加入由计算机软件、数学模型和物理效应设备组成的仿真系统中，可有效评价装备的性能和功能[1，2]。航电系统半实物仿真系统主要包括仿真控制中心、射频仿真实验室和光电仿真实验室，具体描述如下。

1）仿真控制中心由试验控制系统、航电装备仿真器、配套支持设备组成[3]。试验控制系统承担试验设计、任务加载、仿真管理、状态监控和性能评估等任务；航电装备仿真器可替代真实装备接入航电总线，构造航电综合试验环境；配套支持设备指综合试验环境中支持测试任务执行的辅助产品，包括供电、电缆（含总线）、设备台架等。

2）射频仿真实验室由微波暗室、目标生成系统、转台系统及相关控制计算机组成[4，5]。微波暗室为独立空间内敷设吸波材料，形成1个近似无回波区的内场环境；目标生成系统主要由信号产生系统、目标阵列系统、阵列目标馈电系统组成，用于模拟生成雷达、电抗系统所需的目标信号，包括目标的距离、速度、微多普勒、雷达散射截面积起伏特性，以检验雷达、电抗系统的作战能力；转台系统用于安装雷达、电抗系统实物，通过高精度机械设备模拟载机俯仰、滚转、航向3个姿态角的变化。

3）光电仿真实验室由五轴转台、目标模拟器和图像生成计算机组成[6]。五轴转台接收航电系统飞机和目标姿态数据，其中三轴部分安装光电雷达（简称光雷），模拟飞行姿态，两轴部分安装目标模拟器并模拟目标相对运动；图像生成计算机根据设置的场景信息生成视频信号给目标模拟器；目标模拟器将视频信号转换成红外波段光学信号，以仿真红外目标、场景。

在航电系统的半实物仿真联合试验中，射频仿真实验室通过模拟电磁波在空间传播的实际过程，结合雷达、电抗系统实装构建贴近雷达、电抗系统的真实工作场景；光电仿真实验室通过模拟目标与环境高动态红外场景，结合光雷实装构建可实现光电雷达真实的工作场景；仿真控制中心通过总线将雷达、光雷与其他航电子系统级联，实现航电系统作战效能的闭环测试。由于1553B总线通信存在距离限制[8]，超过极限距离后远程终端将无法上线、响应超时，本文通过分析1553B总线协议，总结影响传输距离的原因，提出采用光电转换和单模光纤来突破1553B总线的传输极限距离，实现航电设备远程级联。

2 1553B总线协议解析

1553B总线指符合MIL-STD-1553B标准的数据总线，具有分布处理、集中控制和实时响应等特点，MIL-STD-1553B标准由美国军方颁布，目前已广泛用于飞机综合航电系统、外挂物管理系统[7]。GJB-289A总线标准[8]是MILSTD-1553B的国内标准。

2.1 总线系统组成

1553B总线系统由终端设备和传输介质两部分组成，其中传输介质分主线和支线，为增强传输可靠性，航电系统通常采用A、B两条总线，互为余度，如图1所示。总线上的终端设备按功能差异分为总线控制器（BC）、总线监视器（BM）和远程终端（RT），区别如下：

图1 某型飞机航电系统总线拓扑结构

1）BC是总线系统中组织信息传输的设备，负责发送指令，参与数据传输，接收状态响应和监控系统的状态，在任意时刻只能有1个终端对总线系统实行控制；

2）BM是总线系统中接收并记录传输信息的设备，记录的信息可供飞行测试、维修记录和任务分析等脱机分析使用；

3）RT是总线系统中不作为BC和BM的所有终端，响应来自BC的指令字，并按指令规定的方式进行操作。

2.2 总线数据格式及响应时间要求

1553B总线数据由20位字长的消息字组成，采用曼彻斯特编码，位传输速率为1Mb/s，消息字格式包括指令字、数据字和状态字。1553B总线的一则完整消息由指令字、数据字和状态字组合而成，每则消息均由BC发出的指令字开始。其中对信息传输有响应时间要求的包括两类：

1）BC向总线发出指令，并要求指定RT在规定时间内返回状态字；协议要求BC测量从其传输的最后一个数据位中间过零点到RT返回的状态字同步头中间过零点的时间，当超过14μs时[8]作无响应处理；

2）BC向RT1发出接收指令，向RT2发出发送指令，RT2需在规定时间内发出状态字及数据字；RT1在收到BC发出的接收指令后，需在54μs内收到RT2发出的有效数据字[9]，否则将作无响应处理。该时间包括BC向RT2发出发送指令字时间、RT2发出状态字时间和RT2响应时间。因指令字和状态字传输时间固定为20μs，RT2的响应时间为14μs。

响应时间由处理时间和传输时延组成。其中处理时间由接入总线的航电子系统决定，影响因素包括硬件电路、处理算法；传输时延由1553B总线的传输介质决定，满足材质要求的1553B电缆传输延时为5.25ns/m。

2.3 总线波形失真分析

总线网络要求以最小失真传输数据波形，1553B总线线缆为带护套、双绞屏蔽电缆，每米不少于13绞[8]，影响信号波形质量的主要失真源为反射和耗散，失真程度影响信号传输距离。

2.3.1反射畸变

支线电缆通过短截线直接耦合或变压器耦合接入主线电缆，当产生的负载阻抗与总线的阻抗不匹配时造成信号反射，反射系数可通过式（1）计算。

假定数据波形的电压幅度为V，负反射信号电压V·Cr叠加到主信号造成衰减；传输信号V·Ct经短截线末端反射（ 为∞，反射系数为1）后，在主线和短截线连接点处，有V·Ct·Ct的信号传输到主总线上。如采用直接耦合，信号反射会不断发生，直到瞬态能力全部被终端电阻吸收，如图2所示；如采用变压器耦合，通过设置变压器匝数比、增加隔离电阻，使得支线的阻抗与主线匹配，可避免二次反射。

图2 短截线耦合引起的反射畸变

2.3.2波形畸变

1553B双绞屏蔽电缆存在电阻、串联电感，线缆间存在并联电容，会造成信号幅度和频率衰减，引起波形畸变。

1）当曼彻斯特波形信号加载到1553B总线时，电容在波形电压驱动下，与电缆阻抗构成了RC低通滤波。在波形传输过程中，高频分量（主要集中在跳变沿）相对含量随着传输距离增加逐渐减少；电缆阻抗除改变信号形状外，还均匀衰减了信号，衰减程度与传输距离成正比。图3为初始波形和耗散整形后的波形对比，在长距离传输后，梯形波的形状和幅度均发生了较大变化。

图3 与传输距离相关的波形失真

2）典型的1553B波形由4种基波 频 率（1MHz、500kHz、333kHz和250kHz）加上谐波混合组成。高频能量的衰减使得传播波形的上升（下降）时间变长，当上升（下降）时间大于脉宽时，电压在到达满幅前就开始跳变，造成衰减。图4描述了耗散对波形的影响，不同基频的脉冲在幅度上的差异造成总线波形上的瞬间电压偏移，从而造成波形的过零点偏移。

图4 信号过零点偏移

3 1553B终端通信距离延长方案

3.1 改造方案

综上分析，响应时间和波形质量（振幅、过零点偏移）会影响总线的传输距离。响应时间可通过修改航电产品软件、硬件来调整，不在本文考虑范围。波形质量可通过改变传输介质实现，单模光纤采用激光作为信号源，具有损耗低、抗电磁干扰能力强等优点[10]，能克服双绞线传输存在的信号串扰、衰减等问题。

典型的1553B总线网路由主线、支线、变压耦合器、终端连接器和终端电阻组成（见图5）。总线延长可分为主线延长和支线延长，其中主线延长一方面会增加所有终端的通信时间，另一方面无法满足航电系统终多个终端同时远程级联的需要。因此，只能通过对支线进行延长实现航电系统半实物仿真。

图5 1553B总线网络组成

1553B总线的终端通过分支线和变压耦合器接入主总线，可对变压耦合器的支路输出端进行改造，将耦合器输出的双绞线电信号转换为光信号，通过单模光纤实现远距离传输，利用相应的光电转换设备将光信号还原成电信号[11]，航电系统总线改造后的拓扑结构如图6所示。

图6 航电系统总线改造后拓扑图

3.2 方案分析

由于光纤传输具有良好的屏蔽干扰能力，远程终端改造后的1553B支线可实现远距离通信。作为光纤通信的信号，光在介质中的传播速度为c/n，c为真空光速，n为介质的折射率，一般光纤纤芯材料为掺锗石英，折射率约为1.50[12]，因此光纤传输因距离增加产生的延时T可按式（2）计算：

式中，c为光速300m/μs，L为光纤长度，n为折射率，数据采用应答方式传输，故系数为2。每增加100m光纤，传输时间增加1μs。

由于指令字、数据字和状态字的起始状态不同，为确保转换后信号的准确，需对波形进行滤波，即监测1553B信号同步头中间的边沿信号[13，14]，待捕获到上升沿或下降沿且低/高电平持续时间达到同步头长度一半时，判断为有效的曼彻斯特波形。增加滤波后，传输延时按式（3）计算：

式中，常量1.5单位为μs，为同步头半时长。传输延时在增加固定转换延时3μs的基础上，每增加100m光纤，传输时间增加1μs。

4 总结

本文基于光电转换设备和单模光纤线缆提出了改造1553B航电总线的方法，终端的通信距离可以获得一定程度的延伸，为航电系统分布式级联奠定了基础。在该方法中，参与内场仿真试验的航电装备（如雷达、光雷、电抗）利用实验室内的转台、目标模拟器等设施，模拟在战场环境下工作，通过总线和仿真网络将试验信息实时传递至仿真控制中心，完成航电系统的半实物仿真试验。

采用光纤对1553B总线网络进行改造时，受网络分布和光电转换延时影响，总线的通讯距离存在一定限制，进一步提升总线传输距离的方法包括减少光电转换时间、修改所有参与通信的终端设备响应时间限制等。